理想化模型在高中教学中的应用

摘 要：本文简要介绍了理想化模型及其分类，并回顾了物理各学科中常见的、典型的理想化模型，在此基础上讨论了建立模型的一般方法和在应用中应该注意的几点问题。理想化模型虽然也有一定的局限性，但是它在自然科学研究中却有着非常重要的作用。尤其对学生物理思维的培养具有重要的作用。

关键词：理想化模型；实物模型；因素；本质

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2013）19-189-01

物理学的发展和物理教育大都是建立在理想化模型基础上，物理学中理想化模型的研究对推动物理学的发展和物理教学起着不可替代的重要作用。

一、引言

物理学所研究的是自然界最普遍的物质运动现象，是研究物质的一切最基本、最普遍的运动形态和物质各层次的结构相互作用和运动的基本规律的科学。物质在运动变化过程中往往要受到其自身和周围环境中其他各种复杂因素的影响或制约。而在研究实际问题时，如果不加分析地把所有因素都考虑进去，那么势必增加问题研究的难度。因此，人们常常遵循化繁为简的原则，有意识地突出研究对象的主要因素，忽略次要因素或无关紧要因素的干扰，抽象出能反映事物本质的理想化模型。理想化模型它能保留对研究问题起决定影响的主要因素，建立科学的抽象模型，清晰地反映被研究问题的本质特征，呈现问题所包含的主要矛盾，便于我们分析和发现物质运动的主要规律。物理化模型最明显的作用是对所研究的物理问题的处理极度的简化和纯化。从模型得出的结果与客观实际又不会发生大的偏差，对于复杂的物理学问题，先研究它的物理模型，然后，将其研究结果加以修正，便于实际对象的本质相符合。

二、什么是理想化模型

所谓理想化模型，就是为了便于研究问题而建立的一种高度抽象的理想化的形态。“理想化模型”都不是实际存在的东西，但“理想化模型”并不是不可捉摸的。作为抽象模型的结果，它是对客观事物的一种反映。客观存在的复杂事物包含许多矛盾，因而具有多方面的特性，但在一定场合，一定条件下，必有一种是主要矛盾或主要特征，完全地忽略了其他方面的矛盾和特性。

三、高中物理中基本的理想化模型

1、力学中的理想化模型例如

质点：在许多的实际问题中，物体的形状和大小与所研究的问题无关或者所起的作用很小，我们可以在尺度上把它看作一个几何点，而不必考虑它的形状和大小，它的质量可以认为就集中在这个点上，这种抽象化的模型，叫做质点。研究物体的运动时，我们常常把可以忽略其大小和形状的物体当作质点。质点是力学中很重要的一个理想化模型。

一个物体能不能看做质点，要看问题的具体情况而定。平动的物体上任意一点的运动都能代表整体的运动，因而可以不考虑平动物体的整体的大小、形状，把它当作质点。转动的物体上各点的运动情况是不一样的，就不能用一个点代表整体的运动，因而转动的物体就不可当作质点。

若涉及较复杂的运动，例如公路上行驶的汽车，其本身是平动，但其车轮即平动又转动，这时就应根据具体情况而言，则不必考虑车轮的转动，只考虑整个汽车的平动，这时汽车上各点在相同的时间内发生的位移是相同的，可以把整个汽车当作质点。

在力学中，把物体当作质点是有条件的、相对的。地球虽大，研究其公转时，可把它当作质点；但研究其自转时，则不可以把它当作质点。子弹头虽小，若研究其沿一定曲线击中某处目标的运动时，可视为质点。可见，能否把物体当作质点处理，必须对具体问题进行具体分析。一般来说，当物体自身的尺度远小于所研究运动的有关距离，而问题又不涉及转动时，可以把物体当作质点。

2、电学中的理想化模型例如

（1）点电荷

实验表明，两个静止的带电体之间的作用力（静电力）除与电量及相对位置有关，还依赖于带电体的大小、形状、电荷的分布情况。如果带电体的线度比带电体之间的距离小得多，那么静电力就基本上只取决于它们的电量和距离，满足此条件的带电体叫做点电荷。

（2）电路模型

实际电路都是由一些按照需要起不同作用的实际元件或器件组成，例如变压器、电池、晶体、等以及各种电阻器和电容器等，它们的电磁性质较为复杂。最简单的例如一个白炽灯，它除具有消耗电能的性质（电阻性）外，当通有电流时还会产生磁场，就是它还具有电磁性。但电感微小，可忽略不计，于是可以认为白炽灯是一电阻元件。

3、原子物理學中的理想化模型例如

原子模型：汤姆逊最早提出了一个原子的结构模型，即"枣糕模型"。他设想原子的带正电部分是一个原子那么大的、冻胶状的球，正电荷均匀地分布着，在这球内或球上，有负电子嵌着。这一模型解释了原子呈中性和原子发光现象。但随着 粒子散射实验，卢瑟福提出了"行星模型"，建立了原子的核式结构。即原子是居于原子中心带正电的原子核和核外电子构成的，原子的带电部分集中在很小的体积中，但它占有绝大部分的质量。鉴于"行星模型"与经典电磁场理论矛盾，玻尔提出氢原子模型。量子力学建立后，人们认为原子核周围存在电子云，电子没有确定的轨道，玻尔模型中的轨道是电子出现几率最大的地方。

五、结束语

利用理想模型，可以使复杂问题的处理大为简化而不发生大偏差；也可以使事物的运动规律具有比较简单的形式，从而让我们更好地去认识和掌握它们。构建理想模型还有助于培养人的创造思维能力，由理想模型获得的研究方向，形成科学理论，并能带来理论上的重大突破，促进物理学不断向前发展。